[发明专利]一种同位素热源产生总剂量效应的分析方法

说明书

本发明公开了一种同位素热源产生总剂量效应的分析方法，针对目前无法获得同位素电源的γ射线产生的“总剂量～年”谱的问题，通过建立的模型，根据具体封装材料、同位素核燃料质量、距离同位素核燃料中心距离，可以反推实际应用下的γ射线产生的总剂量谱(总剂量～年的关系)，从估算航天器整个任务期的总剂量效应风险；通过模型对同位素电源的估算，避免对同位素放射性燃料的试验监测，简单易行，节省了试验经费和辐射风险，具有一定的经济意义以及工程设计的指导意义；本发明方法除了涉及核衰变的同位素电源，也适用于核裂变的核反应堆电源，能够解决空间核动力航天器中核电源产生总剂量效应的评估，具有一定的普适性。

技术领域

本发明属于航天器总体设计中核辐射技术领域，具体涉及一种同位素热源产生总剂量效应的分析方法。

背景技术

在深空探测任务中，由于月球长达14个地球日的月夜、火星每日沙尘暴、木星以远深空光照强度低，导致传统太阳能使用困难，采用空间核能是解决航天器能源问题的较好选择。

空间中充满了来自浩瀚宇宙的各种粒子：质子、电子、α粒子、重离子、γ射线等。空间用的核能主要有两种，一种是核衰变能(钚-238)，另一种是核裂变能(铀-235)。放射性同位素热源采用放射性同位素钚-238(Pu-238)，除了空间环境的辐射影响之外还存在自身的辐射效应，包括α粒子、β粒子、γ射线、X射线和中子。较长时间受到核辐射或短时间内受到剂量较大的辐射对器件和工作人员的身体造成伤害。这些粒子引起的辐射效应，尤其是总剂量效应(TID：Total Ionizing Dose)影响着航天器的可靠性。为保证深空探测任务能够顺利完成，对空间同位素核源进行辐射效应分析和防护方法研究是十分必要的。

同位素燃料的组成十分复杂，因为在钚同位素的衰变过程中，组分持续变化。NASA标准同位素热源²³⁸PuO₂组分中Pu-238占83.56％，热源是以Pu-238为主要组成，除了Pu-238以外还有Pu-236、Pu-239、Pu-240、Pu-241等多种同位素，每种同位素都在辐射粒子，包括α粒子、β粒子、γ射线、X射线和中子。同位素热源引起总剂量效应主要来自于γ射线。核反应过程十分复杂，因此同位素核源对航天器总剂量效应影响评估十分困难，很难建立精确的理论模型。

随着我国同位素热源的空间应用需求日渐迫切，作为重点关注的辐射效应之一，航天器的研制过程中需要评估总剂量效应的辐射影响，因此目前急需同位素热源引起的总剂量效应的建模方法，能够评估同位素热源不同封装形式、屏蔽材料、航天器不同位置的总剂量效应，能够根据航天器及载荷具体的任务要求，评估是否存在总剂量效应风险，进而提出防护设计要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种同位素热源产生总剂量效应的分析方法，可以估算航天器整个任务期的总剂量效应风险。

一种同位素热源产生总剂量效应的分析方法，包括如下步骤：

确定同位素热源所辐射的γ射线的种类m，以及第i种γ射线的能量E_i和绝对强度k_i，其中，i＝1,2,...,m；

确定同位素热源的屏蔽体包含的屏蔽材料层数n；

则同位素热源发射的各种单能γ射线经过屏蔽体后的剂量公式为：

其中，μ_en/ρ_en为接受辐射的半导体器件的质能吸收系数；φ₀为同位素热源发射的总粒子通量，为未知量；(μ/ρ)_i,j为第i种γ射线在第j种屏蔽材料下的质量减弱系数；ρ_j为第j种屏蔽材料的密度；d_j为第j种屏蔽材料的厚度；

当所述屏蔽体为一种已知材料x时，获得同位素热源所辐射的γ射线经过该屏蔽材料x后的吸收剂量公式为：